ساخت ابرخازن‌های پایدار از فیلترهای سیگار

اگرچه فیلترهای سیگار ممکن است مواد دورریختنی به نظر برسند اما گروهی از پژوهشگران آمریکایی راهی را برای استفاده سودمند از آنها یافته‌اند.

به گزارش ایسنا، پژوهشگران «دانشگاه تگزاس در ال پاسو»(UTEP) از طریق یک فرآیند پیرولیز تک‌مرحله‌ای و کم‌اثر، روشی را برای تبدیل ضایعات فیلتر سیگار به نانومواد کربنی ارائه داده‌اند. هدف از این پژوهش، تبدیل ضایعات فیلتر سیگار به الکترودهایی برای ابرخازن‌هاست که انرژی را ذخیره می‌کنند، به سرعت شارژ یا دشارژ می‌شوند و گزینه خوبی برای سیستم‌های انرژی پاک هستند.

به نقل از آزو نانو، با افزایش سطح زباله‌های جهان، فیلترهای سیگار به یک آلاینده پایدار تبدیل شده‌اند. آنها عمدتا از استات سلولز ساخته می‌شوند. استات سلولز یک پلیمر مصنوعی است که به آرامی تجزیه می‌شود و میکروپلاستیک‌ها و مواد سمی را به محیط زیست وارد می‌کند. فیلترهای سیگار که معمولا به عنوان زباله‌های غیر قابل بازیافت دور ریخته می‌شوند، حاوی مقدار زیادی کربن هستند که آنها را به منبع بالقوه‌ای از مواد سودمند تبدیل می‌کند.

تبدیل زیست‌توده و زباله‌های پلاستیکی به نانومواد مبتنی بر کربن در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است زیرا این مواد مساحت بالا، رسانایی خوب و پایداری الکتروشیمیایی قوی را ارائه می‌دهند که ویژگی‌های کلیدی برای ذخیره‌سازی انرژی هستند.

با وجود این که فیلترهای سیگار به طور گسترده در دسترس هستند، در این حوزه تا حد زیادی نادیده گرفته شده‌اند. برخی از فیلترها حاوی دی‌اکسید تیتانیوم هستند که می‌تواند با افزایش خواص کاتالیزوری آنها، عملکرد مواد حاصل را بهبود ببخشد. استفاده مجدد از فیلترها در نانومواد، راهی را برای مدیریت پسماند و کمک به فناوری‌های تامین‌کننده انرژی پاک ارائه می‌دهد.

پژوهشگران یک فرآیند ساده‌ را برای تبدیل کردن فیلترهای سیگار استفاده‌شده به نانومواد کربنی توسعه دادند. آنها فیلترهایی را از برندهای گوناگون سیگار جمع‌آوری کردند و برای حذف بقایای تنباکو تمیز کردند و و سپس در دمای ۸۰۰ درجه سلسیوس در اتمسفر نیتروژن تحت پیرولیز قرار دادند. دما با سرعت ثابت ۱۰ درجه سلسیوس در دقیقه افزایش یافت. این امر ساختار پلیمر را تجزیه و ماده‌ای غنی از کربن تولید کرد.

پس از پیرولیز، ماده برای حذف ناخالصی‌های فلزی در معرض اسید هیدروکلریک قرار گرفت، با آب دیونیزه تا رسیدن به پی‌اچ خنثی شسته شد و برای بررسی غلظت، تحت امواج فراصوت قرار گرفت. سپس در دمای ۶۰ درجه سلسیوس در خلاء خشک شد. محصول نهایی حاوی تیتانیوم دی‌اکسید بود و گزینه مناسبی برای استفاده به عنوان الکترود بدون اصلاح بیشتر به شمار می‌رفت.

پژوهشگران برای ساخت ابرخازن‌ها، نانومواد کربنی را با جمع‌کننده‌های جریان پوشاندند و الکترولیت‌های آبی گوناگون مانند اسید سولفوریک و هیدروکسید پتاسیم را برای بهینه‌سازی عملکرد آزمایش کردند.

نانومواد کربنی تولیدشده در این پژوهش، ویژگی‌های ساختاری و شیمیایی مناسبی را برای استفاده در ابرخازن‌ها نشان دادند. طیف‌سنجی رامان و پراش پرتو ایکس، ساختار کربن گرافیتی با تیتانیوم دی‌اکسید جاسازی‌شده در آن را تأیید کردند.

این ماده رفتار شبه‌خازنی واضحی را نشان داد که ناشی از گروه‌های اکسیژن روی سطح و محتوای تیتانیوم دی‌اکسید آن بود. این نانومواد کربنی نسبت به چندین ماده به‌دست‌آمده از زیست‌توده که پیشتر مطالعه شده بودند، عملکرد بهتری داشتند و این امر پتانسیل آنها را به عنوان یک گزینه پایدار برای الکترودهای ابرخازن با کارآیی بالا تأیید می‌کند.

این پژوهش در مجله «Battery Energy» به چاپ رسید.

*